基于数控设备系统的设计研究

张传琦 蔡传兵

（襄阳国网合成绝缘子有限责任公司，襄阳 441057）

1 数控设备的构成

数控设备主要由数控系统、电气系统及机械系统等构成。其中，数控系统主要是针对机床而言，相当于人的大脑及神经系统，对整个数控机床起着决定性作用；电气系统主要控制机床的通信和电机的运动协调；机械系统是指人们主要从机床结构入手，为了实现某种特定功能而采取的不同运动结构和方式。

1.1 数控系统

人们可以利用上位机，通过软件直接读取运行参数。其中，系统故障代码显示各种报警信息，以便使人判断出系统的故障原因。

1.2 导轨副

X轴、Y轴和Z轴方向采用滑动导轨的方式进行运动，导轨与滑块之间必须要润滑，一般采用黄油、机油等介质。人们通常采用振动传感器并将其安放到滑块上，测量导轨的运行状态和磨损程度，以便及时调整和更换。

1.3 丝杠副

丝杠副主要起到工作台定向移动的作用，由于工作台的运动部件在工作中受到负载的影响，其在X、Y、Z三个方向上会发生不同程度的振动。一般采用温度、位移等多功能传感器来测试零部件的变化，以判断是否需要更换和调整。

1.4 主轴系统

该系统的主轴组件由电机、齿轮箱和主轴组件组成。在主轴前端和齿轮箱，人们可以通过放置振动传感器来测量主轴的运动精度、轴承磨损和齿轮啮合程度。

1.5 伺服系统

本设计的伺服系统由一个主轴电机和两个进给电机构成。其中，三个电机都是通过相关的传感器来监测电机的实际负载和功率的大小。

1.6 润滑系统

润滑系统主要通过液压系统提供动力，对整个数控系统提供润滑，减少设备的磨损，延长使用寿命，一般采用压力计、流量计等传感器来检测润滑系统的压力和流量大小。

2 数控设备系统的进给装置

在数控设备的多轴联动控制过程中，每一个轴都由电机进行控制，在计算机软件的控制下，将多个驱动轴的电机进行控制，使其构成一个系统，从而实现单轴或者多轴的控制。单轴伺服进给装置结构示意图如图1所示。

从图1可以看出，该伺服进给装置主要由联轴器、丝杠、直线运动工作台和其他辅助部件构成。其工作原理为：通过计算机控制系统发出脉冲信号给伺服电机，伺服电机收到信号后，根据脉冲个数来做出相应的运动。伺服电机与丝杠通过联轴器连接在一起，使得丝杠伺服电机具有相同的运动，其大小Δl可以根据式（1）计算出来。

图1 单轴伺服进给装置结构

式中，θ为伺服电机角位移；ε为丝杠导程；n为指令脉冲个数；k为伺服控制系统比例系数，与伺服控制系统的硬件结构有关，伺服电机每接收2κ脉冲旋转一周。

3 数控设备系统伺服电机的选取

在数控设备系统的设计过程中，伺服驱动装置是数控设备系统的核心，伺服电机的选择必须要满足以下两个条件：一是所有电动机必须满足单轴驱动的负载要求；二是从多个方面选择合适的电机类型和尺寸，如成本、重量、体积、精度等技术参数。伺服电机进给控制流程如图2所示。

图2 进给控制流程

电机的输出转矩及功率的选取一般根据负载的要求，也就是滚珠丝杠的驱动所需要的力矩。外部负载产生的摩擦扭矩的计算公式为：

式中，Fα为切削力与工作台摩擦阻力之和；η为滚珠丝杠的效率，可取0.9。

预紧产生的摩擦扭矩，通过式（3）可以计算：

式中，μ为预紧螺母内部的摩擦系数，μ=0.1～0.3，Ph为丝杠的导程。因此，滚珠丝杠的驱动力矩，即电机输出的转矩为：

电机稳定运行时的转矩Tl，则换算到电机轴的负载转矩为：

式中，η为机械系统的效率；Tl为负载轴转矩，N·m；Nl为负载轴转速，r/min；Nm为电机轴转速，r/min。

电机的功率一般按式（5）计算：

式中，Tt为机械系统负载轴转矩；Nt伺服电机的转速；η为机械系统的效率。

4 结语

目前，我国对数控设备系统的设计研究尚有许多不完善的地方，尤其是复杂的零部件和精度要求较高的零部件，普通数控机床很难达到要求。本文对数控设备的设计研究旨在提高数控设备的性能，降低数控设备的制造成本，延长其使用寿命，减少维护的工作量和时间，更快地向创新型国家迈进。